低溫閥門密封副材料性能研究

梁毅, 龍雪, 金海, 霍麗敏, 李穎（.首都航天機械有限公司，北京 00076；.北京強度環境研究所，北京 00076）

0 引言

材料的性能主要包括力學性能、工藝特性、熱性能、磁性能等。材料的性能決定了材料的用途，密封副材料的材料特性將影響密封性能。對于工作在低溫尤其是液氫和液氧深低溫環境溫度狀態下的閥門，密封副的制造材料由于在低溫環境溫度下的材料性能與常溫環境下材料性能會有一定的變化，對材料的選用更應該得到設計人員的重視[1-2]。所選用的材料在工作環境溫度下要能保持一定的強度、彈性和復原性。以往由于忽視和條件限制等原因一直未進行低溫環境（尤其是液氫和液氧溫度下）系統性試驗，因此在本文中對常用的部分閥門內腔密封副制造材料在低溫下的工藝性能數據，按照國家標準進行了測試。

1 閥門密封副材料

經統計，在低溫閥門用于內腔密封副制造的材料中金屬材料主要有不銹鋼1Cr18Ni9Ti、鋁青銅QAl9-4、低膨脹合金X，非金屬材料主要有聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等材料。本文針對上述材料在常溫、液氫，液氧溫度下進行了性能測試。

2 材料性能測試要求

為保證試驗數據的權威性，材料性能測試地點選擇在中科院理化所，使用標準試驗機，按照或參照各性能項目的國家標準進行測試，測試采用的相關標準如表1所示。試驗設備采用國產的某型號拉伸/壓縮試驗機，其位移傳感器測量范圍為0~50 kN，位移的分辨率為0.01 mm，力載荷的精度為±0.5N，控制方式為計算機控制，試驗前要對相應參數進行設定，試驗過程中能夠對各項試驗數據進行控制和記錄，以方便試驗結束后對測試數據進行分析。材料低溫特性試驗溫度分三個溫區：室溫、液氧溫區、液氫溫區。其中為試驗安全考慮，采用液氮模擬液氧溫度、用液氦模擬液氫溫度；材料的力學性能指標分別通過低溫拉伸實驗、低溫沖擊和低溫壓縮實驗確定；熱學性能采用膨脹儀測定低溫膨脹系數；同時還對上述材料的拉伸性能、壓縮性能和熱膨脹性能繪制出曲線。

表1 材料性能測試相關標準

說明：用液氮和液氦做制冷劑。

表2 金屬材料在298 K下的性能

表3 金屬材料在77 K下的性能

表4 金屬材料在20 K下的性能

3 金屬材料試驗結果

金屬材料在常溫、液氮、液氦溫度下的拉伸性能見表2、表3、表4，線膨脹系數見圖1、圖2、圖3。

圖1 1Cr18Ni9Ti平均膨脹系數曲線

圖2 QAl9-4平均膨脹系數曲線

圖3 低膨脹合金X平均膨脹系數曲線

根據工程經驗，在對3種金屬材料拉伸性能試驗中比較關注的是彈性模量、屈服強度和抗拉強度等幾個參數。用來表征彈性變形階段的力學性能指標包括彈性模量（彈性模量是指發生彈性變形時應力與應變間的關系常數）。當應變為一個單位時，彈性模量是產生全部彈性變形所需的應力。在工程上彈性模量是表征材料對彈性變形的抗力，也就是說材料的剛度與產生的彈性變形成反比；屈服強度和抗拉強度均是表征材料抵抗塑性變形的重要力學指標之一，材料的屈服強度是材料在應力作用下由彈性變形向彈-塑性變形過渡的明顯標志，屈服時對應的應力值表征材料抵抗起始塑性變形或產生微量塑性變形的能力。在工程上屈服強度是重要的力學性能指標之一，其工程意義是作為設計和選材的依據，同時可以作為金屬材料冷塑性加工的參考。屈服強度越大，可充分發揮材料的強度性能，減輕零件重量，不容易由于塑性變形而導致失效。

在3種金屬材料中，低膨脹合金X在不同溫度下彈性模量均較大，尤其是在室溫及液氮溫度下，彈性模量值最大，因而在不同溫度下具有很好的剛度性能。不銹鋼1Cr18Ni9Ti和低膨脹合金X的屈服強度數值均較大，在各種環境溫度下均具有優秀的材料強度性能，在結構空間緊湊的情況下，比較適合選用。

熱膨脹是指物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現象。平均膨脹系數是表征材料隨溫度升高體積或長度增加多少的指標。通過圖1~圖3進行比較分析可以看出，不銹鋼1Cr18Ni9Ti和鋁青銅QAl9-4的平均膨脹系數隨著溫度升高有相對較大數值的增加，增加低膨脹合金X的平均膨脹系數隨著溫度增加而幾乎沒有變化[3]。可以分析出低膨脹合金X制造的零件在低溫環境中與常溫環境下相比變形會很小。

4 非金屬材料試驗結果

非金屬材料在常溫、液氦、液氮溫度下的性能見表5、表6、表7和圖4。

圖4 非金屬20 K-RT熱膨脹系數

表5 非金屬材料在298 K下的性能

表6 非金屬材料在77 K下的性能

表7 非金屬材料在20 K下的性能

用于密封的材料（尤其是非金屬材料），自身所具有的性能將會在很大程度上決定密封效果。尤其在低溫工作環境中，要求用于密封的材料具有更好的韌性和屈服極限。

聚四氟乙烯（PTFE或F4），是由四氟乙烯經聚合成的高分子化合物，化學穩定性、絕緣性能、耐腐蝕性能、密封性能、耐溫性能，抗老化性能都很優秀。它的工作環境溫度環境范圍很大，在20 K到523 K的環境溫度下，仍具有很好的性能。它的拉伸強度在21~28 MPa之間，彎曲強度在11～14 MPa之間，伸長率在250~300范圍內。它的低溫性能很好，在77 K環境中伸長率仍能達到5。

除此以外，在使用過程中它與金屬之間的摩擦因數為0.04，同時具有良好潤滑性能，適合用來密封。

5 結語

通過對3種金屬材料、3種塑料類非金屬材料進行常溫、低溫試驗，收集到重要的性能數據，積累了資料。通過數據對比，看出低膨脹合金和聚四氟乙烯作為密封材料，所具有的優異性能，為后續對低溫閥門進行結構設計及改進提供了試驗結果基礎。